一种仿生多组分纤维的制备方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种仿生多组分纤维的制备方法及应用，包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。本发明专利技术所述的多组分纤维同时具有良好的机械性能和电学性能，所述的微流控纺丝的制备方法具有成本低廉、组装和操控方便、安全可靠以及可对纤维形貌进行精确操控的优点。本发明专利技术提供了所制备仿生多组分纤维在柔性电子方面的应用，其在电学性能良好的表现出良好的柔性和循环性，适用性较强。

【技术实现步骤摘要】
一种仿生多组分纤维的制备方法及应用
本专利技术涉及生物材料领域，具体涉及一种仿生多组分纤维的制备方法及应用。
技术介绍
作为一项新兴的技术，柔性电子具有可穿戴性和可便携性等特点，已被应用到人类社会的各个方面。为了适应柔性电子的快速发展，多种具有足够能量密度及长循环寿命的储能装置如超级电容器正被广泛研究开发。目前，纤维状柔性电子由于其重量轻、柔性好、成本低等优点，被认为是最有前途的发展趋势。但是，当前的这些纤维状柔性电子的制备策略主要基于多步涂覆或手动绞合，通常制备过程复杂、耗时耗力且无法实现精准控制。因此，一种简便的并可实现精确控制的纤维状柔性电子的生成方式仍值得期待。目前简便的可控地制备纤维的方式有直接拉伸法，湿法纺丝，电纺丝，和微流纺纺丝等。其中，微流控纺丝技术可以对设定好的微流控通道内的流体进行精确和系统的操控，因此成为了连续制备纤维状功能材料的最佳选择。通过调整微流控纺丝过程中，流体的浓度、流速和粘度等流变参数，微流控通道内流体的流动状态就会相应地改变，从而对纤维性能和结构产生一定影响。同时，微流控纺丝技术由于其操作简便，成本低廉，安全可靠等优势，在包括细胞培养、药物缓释、等生物医学工程应用上显示出巨大潜力。但是，利用微流控纺丝技术制备纤维状柔性电子仍有待开发。因此，在本专利技术中，我们受自然界中家蚕纺丝过程和蚕丝分级结构的启发，基于微流控纺丝技术，制备得到一种多组分纤维，并将于应用于柔性超级电容器等柔性电子系统中。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述现有的对于简便可控地制备纤维状柔性电子的研究的缺乏，而提供了一种基于微流控纺丝技术，简便可控制备得到多组分纤维，并应用于超级电容器等柔性电子系统中。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种仿生多组分纤维，包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。所述的仿生多组分纤维的制备方法，其制备包括以下步骤：(1)制备多组分微流控装置：通过将若干个拉伸成锥形的毛细管作为内核流体通道，同轴地组装到作为壳层前驱溶液通道的中间相毛细管中，再将所有毛细管同轴地插入用于固化壳层前驱溶液流体通道的外相收集毛细管中；(2)配制用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液、用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液以及用于固化外壳前驱液的固化溶液；分别通入步骤(1)中的若干个毛细管内核流体通道、中间相毛细管流体通道以及外相收集毛细管流体通道中，并使所有流体同向流动；(3)通过调整各相溶液的流速，实现对多组分纤维的核壳比的精确控制；通过调整微流控装置的内核流体通道的数量，实现对多组分纤维的内核数量的精确控制；从而实现对多组分纤维的机械性能和电学性能的调控。步骤(1)中，利用透明环氧树脂在必要的毛细管接口处进行密封。利用各相溶液之间呈现层流状态的性质，形成与毛细管截面结构相对应的多组分纤维。内核电学性能良好的溶液为碳纳米管溶液、导电聚合物溶液、或MXene溶液所述用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液为碳纳米管溶液、导电聚合物溶液或MXene溶液。所述用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液为聚氨酯溶液PU、聚偏氟乙烯溶液PVDF、或海藻酸钠溶液Na-Alg。所述用于固化外壳前驱液的固化溶液为酒精溶液、去离子水溶液或氯化钙溶液。所述的仿生多组分纤维可连续生成，直径为400-600μm，外壳厚度为350-550μm。所制备的仿生多组分纤维的电容值可达到～250C/m2,并表现出较好的循环性能。本专利技术还保护所述的仿生多组分纤维作为柔性电子的应用，本专利技术所制备的仿生多组分纤维兼具优异的拉伸性能和电学性能，可应用于制作超级电容器等。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一种仿生多组分纤维的制备方法，所述的多组分纤维同时具有良好的机械性能和电学性能，所述的微流控纺丝的制备方法具有成本低廉、组装和操控方便、安全可靠以及可对纤维形貌进行精确操控的优点。本专利技术提供了所制备仿生多组分纤维在柔性电子方面的应用，其在电学性能良好的表现出良好的柔性和循环性，适用性较强。附图说明图1是本专利技术一种仿生多组分纤维的结构示意图。图2是本专利技术一种制备仿生多组分纤维的微流控装置的结构示意图。图3是本专利技术一个实例中得到的多组分纤维的结构实物图。图4是本专利技术一个实例中得到的多组分纤维的形貌调控曲线图。图5是本专利技术一个实例中得到的多组分纤维的电学性能曲线。图6是本专利技术一个实例中得到的多组分纤维的拉伸性能和拉伸-电学响应曲线。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。一种仿生多组分纤维，包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。所述的仿生多组分纤维的制备方法，其制备包括以下步骤：(1)制备多组分微流控装置：通过将若干个拉伸成锥形的毛细管作为内核流体通道，同轴地组装到作为壳层前驱溶液通道的中间相毛细管中，再将所有毛细管同轴地插入用于固化壳层前驱溶液流体通道的外相收集毛细管中；(2)配制用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液、用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液以及用于固化外壳前驱液的固化溶液；分别通入步骤(1)中的若干个毛细管内核流体通道、中间相毛细管流体通道以及外相收集毛细管流体通道中，并使所有流体同向流动；(3)通过调整各相溶液的流速，实现对多组分纤维的核壳比的精确控制；通过调整微流控装置的内核流体通道的数量，实现对多组分纤维的内核数量的精确控制；从而实现对多组分纤维的机械性能和电学性能的调控。步骤(1)中，利用透明环氧树脂在必要的毛细管接口处进行密封。利用各相溶液之间呈现层流状态的性质，形成与毛细管截面结构相对应的多组分纤维。内核电学性能良好的溶液为碳纳米管溶液、导电聚合物溶液、或MXene溶液所述用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液为碳纳米管溶液、导电聚合物溶液或MXene溶液。所述用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液为聚氨酯溶液PU、聚偏氟乙烯溶液PVDF、或海藻酸钠溶液Na-Alg。所述用于固化外壳前驱液的固化溶液为酒精溶液、去离子水溶液或氯化钙溶液。所述的仿生多组分纤维可连续生成，直径为400-600μm，外壳厚度为350-550μm。所制备的仿生多组分纤维的电容值可达到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿生多组分纤维，其特征在于：包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。/n

【技术特征摘要】
1.一种仿生多组分纤维，其特征在于：包括外壳层和多内核层，所述外壳层由机械性能优异的生物材料组成，所述多内核层由电学性能优异的生物材料组成，以保证仿生多组分纤维的拉伸性能和电学性能，并通过控制内核的个数及外壳和内核的厚度比例，精确调整纤维的拉伸性能和电学性能；所述的外壳层和多内核层通过多组分微流控技术制备得到。


2.权利要求1所述的仿生多组分纤维的制备方法，其特征在于：其制备包括以下步骤：
(1)制备多组分微流控装置：通过将若干个拉伸成锥形的毛细管作为内核流体通道，同轴地组装到作为壳层前驱溶液通道的中间相毛细管中，再将所有毛细管同轴地插入用于固化壳层前驱溶液流体通道的外相收集毛细管中；
(2)配制用于制备内核层的电学性能良好的内核溶液、用于制备外壳层的机械性能良好的壳层前驱溶液以及用于固化外壳前驱液的固化溶液；分别通入步骤(1)中的若干个毛细管内核流体通道、中间相毛细管流体通道以及外相收集毛细管流体通道中，并使所有流体同向流动；
(3)通过调整各相溶液的流速，实现对多组分纤维的核壳比的精确控制；通过调整微流控装置的内核流体通道的数量，实现对多组分纤维的内核数量的精确控制；从而实现对多组分纤维的机械性能和电学性能的调控。


3.根据权利要求2所述的仿生多组分纤维的制备方法，其特征在于：步骤(1...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵远锦，郭佳慧，王月桐，
申请(专利权)人：南京鼓楼医院，
类型：发明
国别省市：江苏;32